基於智能電子自旋共振儀的信號測量與監控系統

摘要：在研究基於智能電子自旋共振儀的普通高校近代物理實驗上，設計了一種適合智能電子自旋共振儀的基於單片機和PC機的數據傳輸系統，並實現串口與嵌入式單片機數據透明傳輸的硬體連接和軟體編程，實際效果表明該系統數據採集準確，並達到了實時監測實驗數據的目的，同時系統自動生成圖文並茂的實驗報告，避免了手工輸入時產生的誤差。
關鍵詞：電子自旋共振儀；嵌入式單片機通信；信號採集與監控；智能

電子自旋共振現象被發現於本世紀四十年代後期，經過幾十年的研究發展，它與核磁共振，鐵磁共振，光泵磁共振等形成了一個新的學科——磁共振波譜學。作為一項實用技術，它在化學、物理、生物和醫學等方面獲得了廣泛的應用，近年來，與計算機技術結合，為人類作出了巨大的貢獻。
文中涉及的是普通高校近代物理實驗-電子自旋共振實驗，在實驗中要求觀察電子自旋共振現象，觀察順磁離子對共振信號的影響，測量DPPH(自由基二苯基三硝基苯肼)中電子的g因子(hv=gJμB)，並利用電子自旋共振測量地球磁場的垂直和水平分量。其中準確的獲得這些實驗數據是非常重要的，文中提出利用PC機與嵌入式單片機通信傳輸數據，並且將採集到的數據繪製成可視化的共振譜線圖，通過讀取共振譜線的坐標值來獲得實驗所需要的數據，同時將實驗數據生成實驗報告。大大提高了實驗的精度和自動化。

1 智能電子自旋共振儀
智能電子自旋共振儀優越於傳統的電子自旋共振儀，它用單片機系統來判斷共振點，用亥姆霍茲線圈取代傳統的螺線管線圈來測量磁場強度B0，測量準確、便捷。
為了觀測到共振現象，需要使用一個高頻探頭，其振蕩線圈為被測物DPPH提供能級躍遷所需的能量(hv)，當產生共振時，振蕩器的能量被樣品吸收，振蕩幅度會發生變化，該變化經過檢波和低頻放大後輸出，即可在外接示波器或PC機上觀察到共振峰(亦稱為共振譜線)。儀器前端採用邊緣振蕩器來探測共振信號，信號經檢波放大後送波形變換模塊，產生CMOS電平的信號脈衝，然後送往微處理器的I／O口，由軟體來計算矩形脈衝的寬度，當峰信號出現等間距時，相鄰脈衝的寬度相等，此時即判定B0已調準並給出讀取數據的指示，同時將該數據放入內存。

2 信號測量
2．1 通信原理
實驗儀器中嵌入了AT89C52單片機(下位機)，負責數據採集、處理和控制。PC監控機(上位機)進行現場可視化檢測，它們之間採取主從串行通信方式。PC機上的串行通信通過埠RS232的RTS信號進行二進位數據的收發轉換與傳輸。下位機中串行數據從TXD引腳按規定的波特率輸出，接收數據時監視RXD引腳，一旦出現「0」位，按規定的波特率將外圍設備送來的數據存儲。但是，在8051單片機的內部有一個全雙工的異步串行I／O口，它的輸入和輸出使用5 V邏輯而不是RS-232電壓，所以連接時用MAX485專用晶片進行轉換。如圖1所示單片機與外設串口通信原理圖。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/193340.htm

2．2 數據通信程序設計
2．2．1 通信協議
本系統串行通信採用異步通信方式。協議如下：
1)一幀數據由1位起始位、8位數據位、無奇偶校驗位、1位停止位共10位組成。
2)波特率設為2 400 bps。單片機串行口按方式1工作，波特率由定時器T1控制。
PC機串口波特率通過VB通訊控制項的Settings屬性設置，為保證數據傳送的準確性，兩者的波特率必須一致。
2．2．2 下位機通信及程序設計
單片機可以採用中斷方式或查詢RI(接受中斷標誌位)或TI(發送中斷標誌位)方式進行數據通信。本系統採用查詢方式，在定時器T2中斷子程序中查詢RI，一旦檢測到RI=1則轉入接受數據子程序，在子程序中單片機讀取從上位機發送的通信指令、讀取記錄個數等數據，經校驗正確後，即從ATC256存儲器中將歷史記錄數據上傳給PC機。
Uchar comReceive(void)
{ while(RI==0)／／表示未接收，需等待
RI=0；／／接收完後清除換下一數據
Return(SBUF)
2．2．3 上位機通信及程序設計
上位機利用Visual Basic8．0編程。用VB8．0開發串行通信程序有2種方法，一種是利用Windows的API函數；另一種是採用VB8．0的通信控制項MSComm。利用API函數編寫串行通信程序較為複雜，需要掌握大量的通信知識，其優點是可實現的功能更豐富、應用面更廣泛，適合於編寫較為複雜的低層次通信程序。而VB8．0的MSComm通信控制項提供了標準的事件處理函數、事件、方法，並通過控制項屬性對串口參數進行設置，比較容易地解決了串口通信問題。
本系統採用事件驅動方式進行串口通信設計。
該實驗接收從單片機發來的電流值等數據，並賦予數組。部分代碼如下：


至此，該實驗系統中數據的採集工作就完成了，下一步將把採集的數據可視化監控，利用上位機完成實驗中磁場，g因子等各種計算。

3 信號監控
從單片機採集到的數據傳送到PC機的存儲數組中，然後將每組數據繪製成共振譜線，並且通過讀取共振譜線的坐標值來獲得實驗數據。在VB中實時曲線的繪製一般藉助於Timer控制項來完成，使用Timer控制項，定期將智能電子自旋共振儀中監測到的數據送往pic_main，而曲線的繪製一般畫成折線圖，採用PictureBox1的Line方法繪製。用Line方法可以在窗體或圖片框上繪製一條直線或繪製一個矩形。
Line方法的一般格式：
[對象名．]Line(x1，y1)-(x2，y2)[，顏色]
其中，(x1，y1)為始點坐標；(x2，y2)為終點坐標；顏色可以使用RGB函數，規定畫線或畫矩形的顏色。部分代碼如下：


4 實驗報告的生成
本系統實驗結束後，電子自旋共振實驗報告由系統自動生成一張WORD文檔。避免了傳統的手工輸入時產生的誤差。實驗報告的信息內容：姓名、標題、表格、圖表、日期、實驗計算及測量結果等。
4．1 新建文檔
Documents集合包含所有打開的文檔。要新建一篇文檔，可使用Add方法將一個Document對象添至Documents集合。